CN112483427B - 一种高效的离心泵能效管理方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高效的离心泵能效管理方法，所述方法包括以下步骤：S1：建立一种离心泵能效管理系统，其与DCS/SCADA系统实现数据交互；S2：离心泵能效管理系统对原厂性能曲线图进行电子化和数学模型化，建立起离心泵的流量‑扬程、流量‑功率、流量‑效率的数学模型，并把所述数学模型的模型表达式嵌入DCS/SCADA系统；S3：DCS/SCADA系统采集离心泵的实时运行数据，并通过OPC通讯协议传输给离心泵能效管理系统；所述离心泵能效管理系统对所述实时运行数据进行计算，得到离心泵的实时效率；S4：对比离心泵的实时效率与原厂流量‑效率性能曲线标定数据，通过DCS/SCADA系统调节离心泵的实时流量。
Description
技术领域
本发明涉及离心泵，具体涉及一种高效的离心泵能效管理方法及系统。
背景技术
离心泵是一种用于输送液体介质的机械设备，在化工、水务、管道输送等生产中有广泛的应用。离心泵由电动机带动，泵体及吸入管路内充满液体，电机带动叶轮高速旋转，叶轮又带动叶片间的液体一道旋转，由于离心力的作用，液体从叶轮中心被甩向叶轮外缘并以较高的压强沿排出口流出，与此同时，叶轮中心处由于液体被甩出而形成一定的真空，而入口液面处的压强比叶轮中心处要高，因此，液体在压差作用下进入泵内，叶轮不停旋转，液体也连续不断的被吸入和压出。
泵出口扬程(简称扬程)：又称为泵的压头，是指单位重量流体经泵所获得的能量。泵的扬程大小取决于泵的结构，如叶轮直径的大小，叶片的弯曲、转速情况等，用H表示。
泵出口流量(简称流量)：单位时间内经离心泵加压后流经泵出口液体介质的体积或重量，用Q表示。
离心泵功率(简称功率)：水泵的功率通常是指输入功率，即电动机传至泵轴上的功率，故又称为轴功率，用P表示；泵的有效功率又称输出功率，用Pe表示，它是单位时间内从泵中输送出去的液体在泵中获得的有效能量，即扬程和质量流量及重力加速度的乘积，就是单位时间内从泵中输出的液体所获得的有效能量
效率：轴功率P和有效功率Pe之差为泵内的损失功率，其大小用泵的效率来计量，泵的效率为有效功率和轴功率之比，用η表示。
高效区：离心泵的吸程、扬程、电压、电机转速、泵抽取的液体都符合机泵厂家设计时候的设计参数，或者在它的设计范围内，这时候的泵是在高效区工作。一般高效区是指泵运行效率不低于泵的最高效率的93％。
离心泵是工业生产中广泛使用的设备，在化工、水务、长输管道等行业中更是生产过程中的能耗大户。实际生产过程中，泵的出口流量在一定范围内整体的能量效率较高，称为泵运行高效区，每一台泵在出厂时均经过实测泵的不同流量和效率之间的曲线，得到该泵的额定最优效率点，泵在工厂实际运行中，从节能降耗的需求出发，应尽量使泵的工况控制在最优效率区间，然而受介质性质、机械性能等影响，泵的实际效率与额定效率发生偏差，泵的运行工作脱离高效区，导致机泵的无效能耗增加，目前机泵的运行缺乏监控，对泵的运行管理更缺乏有效的实时计算和状态显示，无法判断泵的实时效率，阻碍了实现泵的高效运行。
当前工厂机泵运行和管理存在以下确定：
1.机泵能耗管理目前主要来自电气系统机泵电流数据，现场机泵运行工艺和设备数据来自基础自控系统(BPCS)，不同平台间没有实现数据交互，则离心泵实时能耗和效率不可获取。
2.机泵存在机械功耗、水力功耗、容积损失功耗等因素，泵的有效功率小于实际电机功率，且机泵实时有效功率不可得。
3.离心泵性能曲线只见于工厂设备存档资料，不能与SCADA控制系统整合和显示，操作员无法快速和准确判断机泵实时状态是否处于运行高效区。
4.泵运行的初始工况和长周期运行下的工况无法记录和判断，对设备的运行维护不利。
5.多台泵并联或串联运行时无法保证各泵工况均运行于运行高效区内，导致能量浪费。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高效的离心泵能效管理方法及系统。本发明的技术方案如下：
一种高效的离心泵能效管理方法，包括以下步骤：
S1：建立一种离心泵能效管理系统，其与DCS/SCADA系统实现数据交互，所述离心泵能效管理系统包括：
电子化和数学模型化模块，用于对离心泵制造厂提供的原厂性能曲线图进行电子化和数学模型化，建立起离心泵的流量-扬程、流量-功率、流量-效率的数学模型，并把所述数学模型的模型表达式嵌入DCS/SCADA系统；
计算模块，用于获取DCS/SCADA系统采集的离心泵实时运行数据，并进行计算后得出机离心泵实时效率；
S2：所述离心泵能效管理系统对离心泵制造厂提供的原厂性能曲线图进行电子化和数学模型化，建立起离心泵的流量-扬程、流量-功率、流量-效率的数学模型，并把所述数学模型的模型表达式嵌入DCS/SCADA系统；
S3：DCS/SCADA系统采集离心泵的实时运行数据，所述实时运行数据包括：离心泵实时电压、实时电流、实时功率因数、实时输入功率、实时泵入口压力、实时泵出口压力、实时流量、液体密度、液体粘度，并通过OPC通讯协议传输给所述离心泵能效管理系统；所述离心泵能效管理系统对所述实时运行数据进行计算，得到离心泵的实时效率；
S4：对比离心泵的实时效率与离心泵制造厂提供的原厂流量-效率性能曲线标定数据，根据原厂的流量-效率性能曲线的额定最优效率点对应的最优点流量和泵运行高效区所在流量区间，通过DCS/SCADA系统调节离心泵的实时流量。
可选地，所述步骤S1进一步包括：
S11：所述离心泵能效管理系统预先获得离心泵厂家提供的原厂流量-效率性能曲线标定数据，将其输入PC机中，成为电子数据，实现数据的电子化；
S12：所述离心泵能效管理系统基于S11的电子数据，通过数据拟合的方法，创建各性能曲线的数学表达式，即建立离心泵性能曲线的数学模型，具体为：
离心泵流量Q-扬程H曲线采用幂函数拟合，数学模型为：
H＝Qα+C. (1)
其中α为指数，1.5≤α≤2.5；
离心泵流量O-功率P曲线采用二次函数拟合，数学模型为
P＝aQ2+bQ+C， (2)
其中a、b、c为常数；
离心泵流量Q-效率η曲线采用傅里叶级数拟合，级数四级，数学模型为
η＝a0+a1*cos(Q*w)+b1*sin(Q*w)+a2*cos(2*Q*w)+b2*sin(2*Q*w)+a3*cos(3*Q*w)+b3*sin(3*Q*w)； (3)
其中a0，a1，a2，w，b1，b2，b3为常数；
S13：所述离心泵能效管理系统将上述(1)-(3)的数学模型通过DCS/SCADA系统的组态和配置内嵌至DCS/SCADA系统内。
可选地，所述离心泵能效管理系统还包括统计功能及综合显示面板，用于显示离心泵各项运行参数，包括：离心泵实时电压、实时电流、实时泵入口压力、实时泵出口压力、实时流量、实时功率因数、原厂流量-效率曲线及实时效率计算的结果、机泵运行的总时长、高效运行时长。
可选地，所述步骤S4还包括：以每台离心泵唯一自有的最高效率为基点，以不低于最高效率值的93％的区间作为高效运行区域，离心泵能效管理系统计算得出每台离心泵的高效区间的效率最小值，以最小值作为预警数值，存储在DCS/SCADA系统内对离心泵运行低效工况进行提示和报警。
一种离心泵能效管理系统，其与DCS/SCADA系统实现数据交互，所述离心泵能效管理系统包括：
电子化和数学模型化模块，用于对离心泵制造厂提供的原厂性能曲线图进行电子化和数学模型化，建立起离心泵的流量-扬程、流量-功率、流量-效率的数学模型，并把所述数学模型的模型表达式嵌入DCS/SCADA系统；
计算模块，用于获取DCS/SCADA系统采集的离心泵实时运行数据，并进行计算后得出机离心泵实时效率；
统计功能及综合显示面板，用于显示离心泵各项运行参数，包括：离心泵实时电压、实时电流、实时泵入口压力、实时泵出口压力、实时流量、实时功率因数、原厂流量-效率曲线及实时效率计算的结果、机泵运行的总时长、高效运行时长。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、保证了离心泵的高效运行和节能降耗；
2、生产人员可以随时调出实时效率与泵正常性能曲线进行对比分析，实时调整泵运行工况使其处于额定工况附近的高效区；在效率工况下降时为在运行和备用泵之间提供切换方案；当泵机组效率明显下降，通过数据分析对泵机组电机或泵机械、水力、容积等损失进行归因，准确发现设备效率下降的原因，从而通过预测性维护，提升机泵完好率和运行能效。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明具体实施例一种高效的离心泵能效管理方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1，本实施例公开了一种高效的离心泵能效管理方法，包括以下步骤：
S1：建立一种离心泵能效管理系统，其与DCS/SCADA系统实现数据交互，所述离心泵能效管理系统包括：
电子化和数学模型化模块，用于对离心泵制造厂提供的原厂性能曲线图进行电子化和数学模型化，建立起离心泵的流量-扬程、流量-功率、流量-效率的数学模型，并把所述数学模型的模型表达式嵌入DCS/SCADA系统；
计算模块，用于获取DCS/SCADA系统采集的离心泵实时运行数据，并进行计算后得出机离心泵实时效率；
其中，SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统。SCADA系统是以计算机为基础的DCS与电力自动化监控系统；它应用领域很广，可以应用于电力、冶金、石油、化工、燃气、铁路等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。
DCS(Distributed Control System)，即分布式控制系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。
离心泵制造厂提供的原厂性能曲线图包括：原厂离心泵流量Q-扬程H曲线图、离心泵流量Q-功率P曲线图、离心泵流量Q-效率η曲线图。从这些图中，可以预先获得离心泵的标定运行数据、额定最优效率点、泵运行高效区等。
S2：所述离心泵能效管理系统对离心泵制造厂提供的原厂性能曲线图进行电子化和数学模型化，建立起离心泵的流量-扬程、流量-功率、流量-效率的数学模型，并把所述数学模型的模型表达式嵌入DCS/SCADA系统；
S3：DCS/SCADA系统采集离心泵的实时运行数据，所述实时运行数据包括：离心泵实时电压、实时电流、实时功率因数、实时输入功率、实时泵入口压力、实时泵出口压力、实时流量、(自离心泵流出的)液体密度、液体粘度，并通过OPC(OLE for Process Control)通讯协议传输给所述离心泵能效管理系统；所述离心泵能效管理系统对所述实时运行数据进行计算，得到离心泵的实时效率；
S4：对比离心泵的实时效率与离心泵制造厂提供的原厂流量-效率性能曲线标定数据，根据原厂的流量-效率性能曲线的额定最优效率点对应的最优点流量和泵运行高效区所在流量区间，通过DCS/SCADA系统调节离心泵的实时流量。
如当前的实时流量在高效率区流量范围内及高效运行区间，则返回步骤S3；如否，DCS/SCADA对机泵运行效率输出效率低预警，并依据高效率区流量范围对机泵的流量进行调整。
该步骤可通过工作人员来完成，也可以通过相关自动化控制系统完成。以工作人员操作为例，工作人员可以随时调出实时效率与泵正常性能曲线标定数据进行对比分析，实时调整泵运行工况使其处于额定工况附近的高效区；在效率工况下降时为在运行和备用泵之间提供切换方案；当泵机组效率明显下降，通过数据分析对泵机组电机或泵机械、水力、容积等损失进行归因，准确发现设备效率下降的原因，从而通过预测性维护，提升机泵完好率和运行能效。
其中，所述步骤S1进一步包括：
S11：所述离心泵能效管理系统预先获得离心泵厂家提供的原厂流量-效率性能曲线标定数据，将其输入PC机中，成为电子数据，实现数据的电子化；
S12：所述离心泵能效管理系统基于S11的电子数据，通过数据拟合的方法，创建各性能曲线的数学表达式，即建立离心泵性能曲线的数学模型，具体为：
离心泵流量Q-扬程H曲线采用幂函数拟合，数学模型为：
H＝Q％C.(1)
其中α为指数，1.5≤α≤2.5；
离心泵流量Q-功率P曲线采用二次函数拟合，数学模型为
P＝aQ2+bQ+C， (2)
其中a、b、c为常数；该公式为本领域常用公式，三个常数的如何选择为常规技术，这里不再进一步阐述限定。
离心泵流量Q-效率η曲线采用傅里叶级数拟合，级数四级，数学模型为
η＝a0+a1*cos(Q*w)+b1*sin(Q*w)+a2*cos(2*Q*w)+b2*sin(2*Q*w)+a3*cos(3*Q*w)+b3*sin(3*Q*w)；(3)
其中a0，a1，a2，w，b1，b2，b3为常数；该公式为本领域常用公式，五个常数的如何选择为常规技术，这里不再进一步阐述限定。
S13：所述离心泵能效管理系统将上述(1)-(3)的数学模型通过DCS/SCADA系统的组态和配置内嵌至DCS/SCADA系统内。
其中，所述离心泵能效管理系统还包括统计功能及综合显示面板，用于显示离心泵各项运行参数，包括：离心泵实时电压、实时电流、实时泵入口压力、实时泵出口压力、实时流量、实时功率因数、原厂流量-效率曲线及实时效率计算的结果、机泵运行的总时长、高效运行时长。
工作人员可以通过所述显示面板实时了解离心泵的各种运行情况。
其中，所述步骤S4还包括：以每台离心泵唯一自有的最高效率为基点，以不低于最高效率值的93％的区间作为高效运行区域，离心泵能效管理系统计算得出每台离心泵的高效区间的效率最小值，以最小值作为预警数值，存储在DCS/SCADA系统内对离心泵运行低效工况进行提示和报警。
本实施例同时公开了一种离心泵能效管理系统，其与DCS/SCADA系统实现数据交互，所述离心泵能效管理系统包括：
电子化和数学模型化模块，用于对离心泵制造厂提供的原厂性能曲线图进行电子化和数学模型化，建立起离心泵的流量-扬程、流量-功率、流量-效率的数学模型，并把所述数学模型的模型表达式嵌入DCS/SCADA系统；
计算模块，用于获取DCS/SCADA系统采集的离心泵实时运行数据，并进行计算后得出机离心泵实时效率；
统计功能及综合显示面板，用于显示离心泵各项运行参数，包括：离心泵实时电压、实时电流、实时泵入口压力、实时泵出口压力、实时流量、实时功率因数、原厂流量-效率曲线及实时效率计算的结果、机泵运行的总时长、高效运行时长。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (4)
1.一种高效的离心泵能效管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立一种离心泵能效管理系统，其与DCS/SCADA系统实现数据交互，所述离心泵能效管理系统包括：
电子化和数学模型化模块，用于对离心泵制造厂提供的原厂性能曲线图进行电子化和数学模型化，建立起离心泵的流量-扬程、流量-功率、流量-效率的数学模型，并把所述数学模型的模型表达式嵌入DCS/SCADA系统；
计算模块，用于获取DCS/SCADA系统采集的离心泵实时运行数据，并进行计算后得出离心泵实时效率；
S2：所述离心泵能效管理系统对离心泵制造厂提供的原厂性能曲线图进行电子化和数学模型化，建立起离心泵的流量-扬程、流量-功率、流量-效率的数学模型，并把所述数学模型的模型表达式嵌入DCS/SCADA系统；
S3：DCS/SCADA系统采集离心泵的实时运行数据，所述实时运行数据包括：离心泵实时电压、实时电流、实时功率因数、实时输入功率、实时泵入口压力、实时泵出口压力、实时流量、液体密度、液体粘度，并通过OPC通讯协议传输给所述离心泵能效管理系统；所述离心泵能效管理系统对所述实时运行数据进行计算，得到离心泵的实时效率；
S4：对比离心泵的实时效率与离心泵制造厂提供的原厂流量-效率性能曲线标定数据，根据原厂的流量-效率性能曲线的额定最优效率点对应的最优点流量和泵运行高效区所在流量区间，通过DCS/SCADA系统调节离心泵的实时流量；
所述步骤S1进一步包括：
S11：所述离心泵能效管理系统预先获得离心泵厂家提供的原厂流量-效率性能曲线标定数据，将其输入PC机中，成为电子数据，实现数据的电子化；
S12：所述离心泵能效管理系统基于S11的电子数据，通过数据拟合的方法，创建各性能曲线的数学表达式，即建立离心泵性能曲线的数学模型，具体为：
离心泵流量Q-扬程H曲线采用幂函数拟合，数学模型为：
H＝Qα+C，(1)
其中α为指数，1.5≤α≤2.5，C为常数；
离心泵流量Q-功率P曲线采用二次函数拟合，数学模型为
P＝aQ2+bQ+c，(2)
其中a、b、c为常数；
离心泵流量Q-效率η曲线采用傅里叶级数拟合，级数四级，数学模型为
η＝a0+a1*cos(Q*w)+b1*sin(Q*w)+a2*cos(2*Q*w)+b2*sin(2*Q*w)+a3*cos(3*Q*w)+b3*sin(3*Q*w)；(3)
其中a0，a1，a2，w，b1，b2，b3为常数；
S13：所述离心泵能效管理系统将上述(1)-(3)的数学模型通过DCS/SCADA系统的组态和配置内嵌至DCS/SCADA系统内。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离心泵能效管理系统还包括统计功能及综合显示面板，用于显示离心泵各项运行参数，包括：离心泵实时电压、实时电流、实时泵入口压力、实时泵出口压力、实时流量、实时功率因数、原厂流量-效率曲线及实时效率计算的结果、离心泵运行的总时长、高效运行时长。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4还包括：以每台离心泵唯一自有的最高效率为基点，以不低于最高效率值的93％的区间作为高效运行区域，离心泵能效管理系统计算得出每台离心泵的高效区间的效率最小值，以最小值作为预警数值，存储在DCS/SCADA系统内对离心泵运行低效工况进行提示和报警。
4.一种离心泵能效管理系统，其特征在于，其与DCS/SCADA系统实现数据交互，应用权利要求1-3任意一项所述的高效的离心泵能效管理方法，所述离心泵能效管理系统包括：
电子化和数学模型化模块，用于对离心泵制造厂提供的原厂性能曲线图进行电子化和数学模型化，建立起离心泵的流量-扬程、流量-功率、流量-效率的数学模型，并把所述数学模型的模型表达式嵌入DCS/SCADA系统；
计算模块，用于获取DCS/SCADA系统采集的离心泵实时运行数据，并进行计算后得出离心泵实时效率；
统计功能及综合显示面板，用于显示离心泵各项运行参数，包括：离心泵实时电压、实时电流、实时泵入口压力、实时泵出口压力、实时流量、实时功率因数、原厂流量-效率曲线及实时效率计算的结果、离心泵运行的总时长、高效运行时长；
其中，所述离心泵能效管理系统预先获得离心泵厂家提供的原厂流量-效率性能曲线标定数据，将其输入PC机中，成为电子数据，实现数据的电子化；
所述离心泵能效管理系统基于S11的电子数据，通过数据拟合的方法，创建各性能曲线的数学表达式，即建立离心泵性能曲线的数学模型，具体为：
离心泵流量Q-扬程H曲线采用幂函数拟合，数学模型为：
H＝Qα+C，(1)
其中α为指数，1.5≤α≤2.5，C为常数；
离心泵流量Q-功率P曲线采用二次函数拟合，数学模型为
P＝aQ2+bQ+c，(2)
其中a、b、c为常数；
离心泵流量Q-效率η曲线采用傅里叶级数拟合，级数四级，数学模型为
η＝a0+a1*cos(Q*w)+b1*sin(Q*w)+a2*cos(2*Q*w)+b2*sin(2*Q*w)+a3*cos(3*Q*w)+b3*sin(3*Q*w)；(3)
其中a0，a1，a2，w，b1，b2，b3为常数；
所述离心泵能效管理系统将上述(1)-(3)的数学模型通过DCS/SCADA系统的组态和配置内嵌至DCS/SCADA系统内。
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